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數學的推理故事

高斯的祖父是農民,父親除了從事園藝的工作外,也當過各色

各樣的雜工,如護堤員、建築工等等。父親由於貧窮,本身沒有受

過什麼教育。

母親在三十四歲時才結婚,三十五歲生下了高斯。她是壹名石

匠的女兒,有壹個很聰明的弟弟,他手巧心靈是當地出名的織綢能

手,高斯的這位舅舅,對小高斯很照顧,有機會就教育他,把他所

知道的壹些知識傳授給他。而父親可以說是壹名”大老粗”,認為

只有力氣能掙錢,學問對窮人是沒有用的。

高斯在晚年喜歡對自己的小孫兒講述自己小時候的故事,他說

他在還不會講話的時候,就已經學會計算了。

他還不到三歲的時候,有壹天他觀看父親在計算受他管轄的工

人們的周薪。父親在喃喃的計數,最後長嘆的壹聲表示總算把錢算

出來。

父親念出錢數,準備寫下時,身邊傳來微小的聲音:「爸爸!

算錯了,錢應該是這樣.....。」

父親驚異地再算壹次,果然小高斯講的數是正確的,奇特的地

方是沒有人教過高斯怎麼樣計算,而小高斯平日靠觀察,在大人不

知不覺時,他自己學會了計算。

另外壹個著名的故事亦可以說明高斯很小時就有很快的計算能

力。當他還在小學讀書時,有壹天,算術老師要求全班同學算出以

下的算式:

1 + 2 + 3 + 4 + ....+ 98 + 99 + 100 = ?

在老師把問題講完不久,高斯就在他的小石板上端端正正地寫下答

案5050,而其他孩子算到頭昏腦脹,還是算不出來。最後只有高斯

的答案是正確無誤。

原來 1 +100= 101

2 + 99 = 101

3 + 98 = 101

.

.

.

50 + 51 = 101

前後兩項兩兩相加,就成了50對和都是 101的配對了

即 101 × 50 = 5050。

按:今用公式

表示 1 + 2 + ... + n

高斯的家裏很窮,在冬天晚上吃完飯後,父親就要高斯上

床睡覺,這樣可以節省燃料和燈油。高斯很喜歡讀書,他往往

帶了壹捆蕪菁上他的頂樓去,他把蕪菁當中挖空,塞進用粗棉

卷成的燈芯,用壹些油脂當燭油,於是就在這發出微弱光亮的

燈下,專心地看書。等到疲勞和寒冷壓倒他時,他才鉆進被窩

睡覺。

高斯的算術老師本來是對學生態度不好,他常認為自己在

窮鄉僻壤教書是懷才不遇,現在發現了「神童」,他是很高興

。但是很快他就感到慚愧,覺得自己懂的數學不多,不能對高

斯有什麼幫助。

他去城裏自掏腰包買了壹本數學書送給高斯,高斯很高興

和比他大差不多十歲的老師的助手壹起學習這本書。這個小孩

和那個少年建立起深厚的感情,他們花許多時間討論這裏面的

東西。

高斯在十壹歲的時候就發現了二項式定理 ( x + y )n的壹般

情形,這裏 n可以是正負整數或正負分數。當他還是壹個小學生

時就對無窮的問題註意了。

有壹天高斯在走回家時,壹面走壹面全神貫註地看書,不

知不覺走進了布倫斯維克 ( Braunschweig ) 宮的庭園,這時布倫

斯維克公爵夫人看到這個小孩那麼喜歡讀書,於是就和他交談

,她發現他完全明白所讀的書的深奧內容。

公爵夫人回去報告給公爵知道,公爵也聽說過在他所管轄

的領地有壹個聰明小孩的故事,於是就派人把高斯叫去宮殿。

費迪南公爵 ( Duke Ferdinand ) 很喜歡這個害羞的孩子,也

賞識他的才能,於是決定給他經濟援助,讓他有機會受高深教

育,費迪南公爵對高斯的照顧是有利的,不然高斯的父親是反

對孩子讀太多書,他總認為工作賺錢比去做什麼數學研究是更

有用些,那高斯又怎麼會成材呢?

高斯的學校生涯

在費迪南公爵的善意幫助下,十五歲的高斯進入壹間著名

的學院(程度相當於高中和大學之間)。在那裏他學習了古代

和現代語言,同時也開始對高等數學作研究。

他專心閱讀牛頓、歐拉、拉格朗日這些歐洲著名數學家的

作品。他對牛頓的工作特別欽佩,並很快地掌握了牛頓的微積

分理論。

1795年10月他離開家鄉的學院到哥庭根 ( Gottingen )去念大

學。哥庭根大學在德國很有名,它的豐富數學藏書吸引了高斯

。許多外國學生也到那裏學習語言、神學、法律或醫學。這是

壹個學術風氣很濃厚的城市。

高斯這時候不知道要讀什麼系,語言系呢還是數學系?如

果以實用觀點來看,學數學以後找生活是不大容易的。

可是在他十八歲的前夕,現在數學上的壹個新發現使他決

定終生研究數學。這發現在數學史上是很重要的。

我們知道當 n ≥ 3 時,正 n 邊形是指那些每壹邊都相等,

內角也壹樣的 n 邊多邊形。

希臘的數學家早知道用圓規和沒有刻度的直尺畫出正三、

四、五、十五邊形。但是在這之後的二千多年以來沒有人知道

怎麼用直尺和圓規構造正十壹邊、十三邊、十四邊、十七邊多

邊形。

還不到十八歲的高斯發現了:壹個正 n 邊形可以用直尺和

圓規畫出當且僅當 n 是底下兩種形式之壹:

k= 0,1,2, ...

十七世紀時法國數學家費馬 ( Fermat ) 以為公式

在 k = 0, 1, 2, 3, ....給出素數。(事實上,目前只確定 F0,F1,F2,F4

是質數,F5不是)。

高斯用代數方法解決了二千多年來的幾何難題,而且找到

正十七邊形的直尺與圓規的作法。他是那麼的興奮,因此決定

壹生研究數學。據說,他還表示希望死後在他的墓碑上能刻上

壹個正十七邊形,以紀念他少年時最重要的數學發現。

1799年高斯呈上他的博士論文,這論文證明了代數壹個重

要的定理:任何壹元代數方程都有根。這結果數學上稱為”代

數基本定理”。

事實上在高斯之間有許多數學家認為已給出了這個結果的

證明,可是沒有壹個證是嚴密的,高斯是第壹個數學家給出嚴

密無誤的證明,高斯認為這個定理是很重要的,在他壹生中給

了壹***四個不同的證明。高斯沒有錢印刷他的學位論文,還好

費迪南公爵給他錢印刷。

二十歲時高斯在他的日記上寫,他有許多數學想法出現在

腦海中,由於時間不定,因此只能記錄壹小部份。幸虧他把研

究的成果寫成壹本叫<算學研究>,並且在二十四歲時出版,

這書是用拉丁文寫,原來有八章,由於錢不夠,只好印七章,

這書可以說是數論第壹本有系統的著作,高斯第壹次介紹”同

余”這個概念。

智鬥豬八戒

話說唐僧師徒西天取經歸來,來到郭家村,受到村民的熱烈歡迎,大家都把他們當作除魔降妖的大英雄,不僅與他們合影留念,還拉他們到家裏作客。

面對村民的盛情款待,師徒們覺得過意不去,壹有機會就幫助他們收割莊稼,耕田耙地。開始幾天豬八戒還挺賣力氣,可過不了幾天,好吃懶做的壞毛病又犯了。他覺得這樣幹活太辛苦了,師傅多舒服,只管坐著講經念佛就什麽都有了。其實師傅也沒什麽了不起的,要不是猴哥憑著他的火眼金睛和壹身的本領,師傅恐怕連西天都去不了,更別說取經了。要是我也有這麽壹個徒弟,也能有壹番作為,到那時,哈哈,我就可以享清福了。

於是八戒就開始張落起這件事來,沒幾天就召收了9個徒弟,他給他們取名:小壹戒、小二戒…小九戒。按理說,現在八戒應該潛心修煉,專心教導徒弟了。可是他仍然惡習不改,經常帶著徒弟出去蹭吃蹭喝,吃得老百姓叫苦不叠。老百姓想著他們曾經為大家做的好事,誰也不好意思到悟空那裏告狀。就這樣,八戒們更是有恃無恐,大開吃戒,壹頓要吃掉五、六百個饅頭,老百姓被他們吃得快揭不開鍋了。

鄰村有個叫靈芝的姑娘,她聰明伶俐,為人善良,經常用自己的智慧巧鬥惡人。她聽了這件事後,決定懲治壹下八戒們。她來到郭家村,開了壹個飯鋪,八戒們聞訊趕來,靈芝姑娘假裝驚喜地說:“悟能師傅,妳能到我的飯鋪,真是太榮幸了。以後妳們就到我這兒來吃飯,不要到別的地方去了。”她停了壹下說:“這兒有張圓桌,專門為妳們準備的,妳們十位每次都按不同的次序入座,等妳們把所有的次序都坐完了,我就免費提供妳們飯菜。但在此之前,妳們每吃壹頓飯,都必須為村裏的壹戶村民做壹件好事,妳們看怎麽樣?”八戒們壹聽這誘人的建議,興奮得不得了,連聲說好。於是他們每次都按約定的條件來吃飯,並記下入座次序。這樣過了幾年,新的次序仍然層出不窮,八戒百思不得其解,只好去向悟空請教。悟空聽了不禁哈哈大笑起來,說:“妳這呆子,這麽簡單的帳都算不過來,還想去沾便宜,妳們是永遠也吃不到這頓免費飯菜的。”“難道我們吃二、三十年,還吃不到嗎?”悟空說:“那我就給妳算算這筆帳吧。我們先從簡單的數算起。假設是三個人吃飯,我們先給他們編上1、2、3的序號,排列的次序就有6種,即123,132,213,231,312,321。如果是四個人吃鈑,第壹個人坐著不動,其他三個人的座位就要變換六次,當四個人都輪流作為第壹個人坐著不動時,總的排列次序就是6×4=24種。按就樣的方法,可以推算出:五個人去吃飯,排列的次序就有24×5=120種……10個人去吃鈑就會有3628800種不同的排列次序。因為每天要吃3頓鈑,用3628800÷3就可以算出要吃的天數:1209600天,也就是將近3320年。妳們想想,妳們能吃到這頓免費鈑菜嗎?”

經悟空這麽壹算,八戒頓時明白了靈芝姑娘的用意,不禁羞愧萬分。從此以後,八戒經常帶著徙弟們幫村民們幹活。他們又重新贏得了人們的喜歡。

取勝的對策

戰國時期,齊威王與大將田忌賽馬,齊威王和田忌各有三匹好馬:上馬,中馬與下馬。比賽分三次進行,每賽馬以千金作賭。由於兩者的馬力相差無幾,而齊威王的馬分別比田忌的相應等級的馬要好,所以壹般人都以為田忌必輸無疑。但是田忌采納了門客孫臏(著名軍事家)的意見,用下馬對齊威王的上馬,用上馬對齊威王的中馬,用中馬對齊威王的下馬,結果田忌以2比1勝齊威王而得千金。這是我國古代運用對策論思想解決問題的壹個範例。

下面有壹個兩人做的遊戲:輪流報數,報出的數不能超過8(也不能是0),把兩面三刀個人報出的數連加起來,誰報數後使和為88,誰就獲勝。如果讓妳先報數,妳第壹次應該報幾才能壹定獲勝?

分析:因為每人每次至少報1,最多報8,所以當某人報數之後,另壹人必能找到壹個數,使此數與某所報的數之和為9。依照規則,誰報數後使和為88,誰就獲勝,於是可推知,誰報數後和為79(=88-9),誰就獲勝。88=9×9+7,依次類推,誰報數後使和為16,誰就獲勝。進壹步,誰先報7,誰就獲勝。於是得出先報者的取勝對策為:先報7,以後若對方報K(1≤K≤8),妳就報(9-K)。這樣,當妳報第10個數的時候,就會取得勝利。

蝸牛何時爬上井?

壹只蝸牛不小心掉進了壹口枯井裏。它趴在井底哭了起來。壹只癩(

lai)蛤蟆爬過來,甕聲甕氣的對蝸牛說:“別哭了,小兄弟!哭也沒用,這井壁太高了,掉到這裏就只能在這生活了。我已經在這裏過了多年了,很久沒有看到過太陽,就更別提想吃天鵝肉了!”蝸牛望著又老又醜的癩蛤蟆,心裏想:“井外的世界多美呀,我決不能像它那樣生活在又黑又冷的井底裏!”蝸牛對癩蛤蟆說: “癩大叔,我不能生活在這裏,我壹定要爬上去!請問這口井有多深?”“哈哈哈……,真是笑話!這井有10米深,妳小小的年紀,又背負著這麽重的殼,怎麽能爬上去呢?”“我不怕苦、不怕累,每天爬壹段,總能爬出去!”第二天,蝸牛吃得飽飽的,喝足了水,就開始順著井壁往上爬了。它不停的爬呀,到了傍晚終於爬了5米。蝸牛特別高興,心想:“照這樣的速度,明天傍晚我就能爬上去。”想著想著,它不知不覺地睡著了。早上,蝸牛被壹陣呼嚕聲吵醒了。壹看原來是癩大叔還在睡覺。它心裏壹驚:“我怎麽離井底這麽近?”原來,蝸牛睡著以後從井壁上滑下來4米。蝸牛嘆了壹口氣,咬緊牙又開始往上爬。到了傍晚又往上爬了5米,可是晚上蝸牛又滑下4米。爬呀爬,最後堅強地蝸牛終於爬上了井臺。小朋友妳能猜出來,蝸牛需要用幾天時間就能爬上井臺嗎?